第1章 何謂功率電感器？

1.1功率電感器概要

線圈是呈螺旋狀的電極的總稱。其中，用于電氣用途線圈被稱為電感器，并且可以分為兩類，一類是用于信號系統(tǒng)的RF電感器，另一類是用于電源系統(tǒng)的功率電感器。本項中說明的功率電感器，是在DC-DC轉(zhuǎn)換器等的電壓轉(zhuǎn)換電路中，構(gòu)成其一部分的元件。

下面說明功率電感器在DC-DC轉(zhuǎn)換器中的作用。功率電感器被用于將某種電壓轉(zhuǎn)換為所需電壓的升壓、降壓，或者被用于升降壓電路。其中，主要在開關(guān)調(diào)節(jié)器式電路中使用。

圖1-1為開關(guān)調(diào)節(jié)器式降壓電路的事例。

利用IC、功率電感器、電容器，將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。功率電感器承擔(dān)的作用是與電容器配合，將從IC輸出的矩形波輸出轉(zhuǎn)換為直流（詳情在第2章中說明）。

只要缺少其中的任何一個，就無法正確整流。

圖1-1 降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器概要

1.2功率電感器的基本特性

那么在選定功率電感器時，應(yīng)當(dāng)查看哪些參數(shù)呢？各制造商的功率電感器產(chǎn)品目錄上，主要記載了下列技術(shù)規(guī)格。圖1-2呈現(xiàn)了技術(shù)規(guī)格表的一個示例。

◆電感

◆額定電流……直流疊加額定電流 Isat 溫升額定電流 Itemp ◆直流阻抗Rdc

◆工作溫度范圍

圖1-2 功率電感器特性表

可是僅憑這個，還是不清楚應(yīng)該選擇哪種技術(shù)規(guī)格的功率電感器。例如，電感高的好還是低的好、需要多大的額定電流之類，因為必須根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作條件適當(dāng)?shù)剡x擇。本章介紹功率電感器技術(shù)規(guī)格的看法。

＜電感＞電感值是影響紋波電流和負載響應(yīng)特性的一個非常重要的參數(shù)。DC-DC轉(zhuǎn)換器使用的功率電感器中通過圖1-3所示的三角波電流。一般來說，可將紋波電流⊿IL設(shè)置為負載電流Iout的30%左右。因此，只要決定DC-DC轉(zhuǎn)換器的條件，就能根據(jù)以下算式計算適當(dāng)?shù)墓β孰姼衅麟姼小?/p>

圖1-3 功率電感器中通過的電流波形

但是，在DC-DC轉(zhuǎn)換器上幾乎都記載了功率電感器的適當(dāng)電感值作為參考值。因此，即使不進行上述算式之類的計算，也能按照制造商的參考值選定。

＜額定電流＞額定電流規(guī)定了電流值的上限，通過的直流電流超過該值時，無法保障質(zhì)量。功率電感器的額定電流有兩種，一種規(guī)定了直流疊加額定電流（Saturation），另一種規(guī)定了溫升額定電流（Temperature）。各自具有重要含義，往往分別記載技術(shù)規(guī)格。

?。┲绷鳢B加額定電流 Isat電感器的特性之一是直流疊加特性。為了獲取高電感，電感器的芯部（磁心）采用鐵氧體等磁性體材料。電流通過電感器時，會產(chǎn)生磁性體的磁飽和現(xiàn)象，電感會下降。將這種特性稱為直流疊加特性。直流疊加額定電流規(guī)定了電感相對于未疊加電流的初始特性下降一定比例時的電流值。

ⅱ）溫升額定電流 Itemp這是以元件的發(fā)熱為指標(biāo)的額定電流規(guī)定，超過該范圍使用，會導(dǎo)致元件損壞或組件故障。一般來說是按溫度上升⊿40℃的電流值規(guī)定的。

下面看一下作為功率電感器使用時，應(yīng)該如何決定這些額定電流。如圖1-3所示，電感器中最大通過Iout+⊿IL/2的電流。如果電流值在Isat以上，電感的下降就會增大，如圖1-4的紅線所示，三角波電流的形狀異常，紋波電流增加。由于紋波電流成為改變輸出電壓的因素，如果紋波電流增加，就會引起負載端系統(tǒng)動作異常。因此，必須選定Isat在最大電流以上的產(chǎn)品。

至于溫升額定電流，即使超過額定值，電感器也不會馬上損壞。因此，應(yīng)以Itemp值在Iout以上為標(biāo)準選定。

圖1-4 直流疊加特性引起的紋波電流變動

＜直流阻抗 Rdc＞表示通過直流電時的阻抗值。由于該阻抗值，因發(fā)熱而產(chǎn)生電力損耗，所以直流阻抗越小損耗越少。但是，減小Rdc與直流疊加特性、尺寸小型化等存在折衷關(guān)系。只要從上述的滿足電感、額定電流等必要特性的電感器當(dāng)中，選定Rdc更小的產(chǎn)品即可。

＜工作溫度范圍＞這是規(guī)定使用電感器時的環(huán)境溫度容許范圍的參數(shù)。溫度的影響因電路的工作環(huán)境而異，因此要設(shè)想實際使用環(huán)境后選定。

下面看一下實際的DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器選定示例。以圖1-5所示的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器為例。這里假設(shè)在下列條件下動作的情況。

圖1-5 降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器事例

根據(jù)以下算式，適當(dāng)電感的大小約為1.0μH。

同時，Iout=1.5A，⊿IL約為Iout的30%，即0.45A，因此最大電流為如下所示：Iout+⊿IL/2＝1.725A

如此一來，大致需要Itemp1.5A以上、Isat1.8A以上的電感器。

只要使用村田的設(shè)計輔助軟件“SimSurfing/DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計輔助工具”，即可根據(jù)所要求的技術(shù)規(guī)格搜索最佳產(chǎn)品。如圖1-6的紅框所示，在搜索項目中輸入電感、尺寸、Itemp、Isat的要求值后，即在藍框部分列表顯示符合條件的產(chǎn)品。

圖1-6 利用設(shè)計輔助軟件“SimSurfing”根據(jù)條件搜索

如果選擇產(chǎn)品，還能比較直流疊加特性等基本特性。

在圖1-7中，選擇了DFE252010F-1R0MLQH2HPN1R0MGRLQM2HPN1R0MGH

三種產(chǎn)品比較疊加特性。根據(jù)這些結(jié)果可知，在本事例中DFE252010F-1R0M滿足要求條件，具有低Rdc和高Isat特性。

圖1-7 利用設(shè)計輔助軟件“SimSurfing” 比較基本特性

1.3功率電感器的類型

下面介紹功率電感器的類型。村田的功率電感器有三種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品線，分別是金屬合金繞線型、鐵氧體繞線型、鐵氧體多層型。從可穿戴設(shè)備、智能手機等移動設(shè)備到醫(yī)療、工業(yè)電器、汽車設(shè)備，對于廣泛用途，提供最佳電感器。

圖1-8 功率電感器的結(jié)構(gòu)

下面分別介紹各種結(jié)構(gòu)的特點和技術(shù)。

＜金屬合金繞線型＞金屬合金繞線型是采用繞線和涂布了樹脂的金屬磁性粉熱壓而成電感器。從大型產(chǎn)品到小型產(chǎn)品，可以適用于大電流領(lǐng)域。金屬磁性材料與后述的鐵氧體材相比，雖然透磁率較低，但卻具有出色的直流疊加特性，屬于適合大電流的材料。近年來，DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)速度不斷提高，低電感需求日益增加，金屬合金繞線型在大部分市場逐漸成為主要商品。

此外，金屬磁性材料還有一大特點，就是溫度特性優(yōu)于鐵氧體材料。導(dǎo)磁率受環(huán)境溫度的影響很小，因此在高溫時也能保持穩(wěn)定的直流疊加特性。目標(biāo)市場涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括汽車、智能手機、HDD等等。

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圖1-9 金屬合金繞線型的結(jié)構(gòu)與外觀

金屬合金繞線型技術(shù)包括金屬磁性材料及其加工技術(shù)、采用了銅絲的繞線技術(shù)（圖1-10）。村田確立了自己的材料技術(shù)，可以實現(xiàn)獨特的繞線結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)磁率及高絕緣性。依靠這些技術(shù)的融合，可以提高電感的獲取效率、降低直流阻抗，實現(xiàn)支持大電流的產(chǎn)品線。

圖1-10 金屬合金繞線型的截面圖

＜鐵氧體繞線型＞鐵氧體繞線型電感器是將銅絲在鐵氧體芯部盤繞成螺旋狀。村田的大多數(shù)鐵氧體繞線型，都在鐵氧體芯部盤繞的銅絲上涂布了磁性樹脂。樹脂涂層的目的是減少漏磁通，提高電感的獲取效率和強度。因為鐵氧體的導(dǎo)磁率很高，在高電感領(lǐng)域使用時，選擇鐵氧體繞線型有利。目標(biāo)市場涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括智能手機、TV、HDD等等。

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圖1-11 鐵氧體繞線型的結(jié)構(gòu)與外觀

鐵氧體繞線型技術(shù)、包括鐵氧體材料和磁性樹脂材料技術(shù)、鐵氧體芯形成技術(shù)以及從細線到粗線對應(yīng)的繞組技術(shù)(圖1-12)。村田將這些技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)了尺寸種類繁多和廣泛的電感產(chǎn)品。

圖1-12 鐵氧體繞線型的截面圖

＜鐵氧體多層型＞鐵氧體多層型電感器是將磁性材料與內(nèi)部電極交互疊加燒結(jié)而成的。與繞線結(jié)構(gòu)相比，可以實現(xiàn)小型化、薄型化。對于小型低電感需求，使用金屬合金繞線型的情況日益增加，小型大L、高耐壓領(lǐng)域越來越需要鐵氧體多層型的特性。

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圖1-13 鐵氧體多層型的結(jié)構(gòu)與外觀

鐵氧體多層型技術(shù)，包括鐵氧體材料技術(shù)、高縱橫比的內(nèi)部電極形成技術(shù)、電路設(shè)計技術(shù)、疊層技術(shù)（圖1-14）。村田獲得了無法靠傳統(tǒng)的疊片實現(xiàn)的內(nèi)部電極高縱橫比技術(shù)，可以進一步降低阻抗。同時，依靠高自由度的磁路間隙形成技術(shù)，抑制磁飽和，實現(xiàn)了優(yōu)異的直流疊加特性。依靠這些技術(shù)，實現(xiàn)了支持需要小型化和薄型化領(lǐng)域的產(chǎn)品線。

圖1-14 鐵氧體多層型的截面圖

下面比較一下上述各種結(jié)構(gòu)的功率電感器的性能。

＜功率電感器的性能比較＞要比較的功率電感器性能，主要有1)電感值、2)直流疊加特性、3)溫度特性、4)耐電壓、5)漏磁通。了解這些信息，就能分別選擇結(jié)構(gòu)適合各種必要性能的功率電感器。

1) 電感值電感值的可獲取范圍，取決于功率電感器的結(jié)構(gòu)。鐵因為鐵氧體材料的導(dǎo)磁率高，氧體繞線型可以獲取10uH以上的高電感，范圍廣泛。鐵氧體多層型的提及比繞線型小，因此屬于10uH以下的低電感領(lǐng)域。金屬合金繞線型也因為其材料特性，最適合10uH以下的低電感。

圖1-15 各種結(jié)構(gòu)的電感范圍

2) 直流疊加特性數(shù)字電路之類的大電流通過的電路，要求功率電感器的電感不因大電流而下降，也就是說，需要直流疊加特性優(yōu)良的功率電感器。這是因為電感不下降，紋波電流就能固定不變，從而保持穩(wěn)定的電路動作。金屬合金繞線型與鐵氧體型相比，不易產(chǎn)生磁飽和，因此具備出色的直流疊加特性。

圖1-16 各種結(jié)構(gòu)的疊加特性

3) 溫度特性就像汽車用電源電路一樣，在高溫下使用功率電感器時，其溫度特性非常重要。磁性材料具有導(dǎo)磁率隨溫度變化的溫度特性，與鐵氧體相比，溫度對金屬磁性材料導(dǎo)磁率的影響較小，可以說這一特性非常出色。

金屬合金繞線型的電感值和直流疊加特性變化不大。圖1-17是環(huán)境溫度25℃～125℃時，金屬合金繞線型與鐵氧體品的直流疊加特性?？梢娊饘俸辖鹄@線型在125℃時，其特性與25℃時沒有區(qū)別。

圖1-17 各種結(jié)構(gòu)的溫度特性

4) 耐電壓LED等升壓電路、高降壓比的電源電路，必須注意功率電感器的耐電壓。金屬合金繞線型采用絕緣樹脂覆蓋金屬磁粉，確保其絕緣性，與鐵氧體繞線型相比，有絕緣性較低的趨勢。因此，金屬合金繞線型具有許多出色的特性，在高耐電壓下使用時必須確認。

5) 漏磁通來自電感器的漏磁通，會作為一種噪聲，對其他電路產(chǎn)生影響；特別是元件之間的距離受到制約的電源電路，可能會導(dǎo)致信號等級下降或失靈等。漏磁通的大小往往取決于電感器的結(jié)構(gòu)，屬于閉合磁路結(jié)構(gòu)的金屬合金繞線型和鐵氧體多層型有利。這是因為要想獲取相同電感時，采用金屬合金繞線型、鐵氧體多層型，可以減少漏到外部的磁通（圖1-18）。各種結(jié)構(gòu)的漏磁通的比較結(jié)果如圖1-19所示。根據(jù)其結(jié)果可知，金屬合金繞線型、鐵氧體多層型與鐵氧體繞線型相比，漏磁通被控制在較低水平。

圖1-18 金屬合金繞線型與鐵氧體多層型的截面圖

圖1-19 各種結(jié)構(gòu)的漏磁通

表1匯總了這些性能比較結(jié)果。選擇功率電感器時，請以這些為參考，選擇適合用途的產(chǎn)品。

表1 各種結(jié)構(gòu)的性能比較

最后介紹這些功率電感器的推薦產(chǎn)品線。功率電感器的用途，大致可以分為一般用和車載用，這里是根據(jù)電感值和尺寸介紹一般用的示例。金屬合金繞線型可以采用廣泛的電感值和尺寸。鐵氧體繞線型的優(yōu)勢是屬于高電感產(chǎn)品，鐵氧體多層型的優(yōu)勢是屬于小型產(chǎn)品。

圖1-20 功率電感器（一般用）的產(chǎn)品線

1.4選定功率電感器時的課題

在1.1～1.3章中說明了功率電感器特性的看法、制作工藝特點的差異?？墒?，設(shè)計人員最為關(guān)心的并非功率電感器本身的特性，而是在DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用時的性能。

圖1-21表示同樣尺寸和L值的金屬合金繞線型與鐵氧體多層型的DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率測量結(jié)果示例。根據(jù)圖1-21可知，根據(jù)元件的類型，效率差別很大，約為3%。

可是，令人遺憾的是無法根據(jù)此次說明的技術(shù)規(guī)格理解這種差異。要想根據(jù)實際性能選定商品，必須更加深入理解功率電感器的特性，并根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作條件進行評估。

因此，將在下一章中說明DC-DC轉(zhuǎn)換器的動作原理，以及DC-DC轉(zhuǎn)換器性能與功率電感器技術(shù)規(guī)格的關(guān)系。此外，關(guān)于如何利用村田DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計輔助工具評估功率電感器在DC-DC轉(zhuǎn)換器上的實際性能，也展示實際案例。

圖1-21 金屬合金繞線型與鐵氧體多層型的效率測量結(jié)果